生物学实验设计的科学性原则

河北 王守民

生物学实验设计的科学性原则

河北 王守民

科学性原则指实验原理、材料选择、方法过程、现象观察、结果处理和结论表达都要有科学依据和方法，必须与生物学的基本理论和实验方法相一致，不能偏离生物学的基本知识和原理，及其他学科领域的基本原则。

1.实验原理的科学性

实验原理是实验设计的科学依据，也是用来检验和修正实验方法过程的理论基础，它必须是经前人总结或检验出的科学理论，这样才能设计出科学合理的实验，正确预期结果和结论。

【例1】关于高中生物学实验的基本原理，叙述不正确的是 （ ）

A.噬菌体必须在活菌中培养增殖是因其缺乏独立的代谢系统

B.提取组织DNA是利用不同化合物在溶剂中溶解度的差异

C.成熟植物细胞在高渗溶液中发生质壁分离是因为细胞壁具有选择透（过）性

D.PCR 呈指数扩增DNA片段是因为上一轮反应产物可作为下一轮反应的模板

【解析】噬菌体须在活菌中培养增殖是因其没有细胞结构，缺乏独立的代谢系统，没法完成各项生命活动，A正确；提取组织DNA是利用不同化合物在溶剂中的溶解度不同进行提取，B正确；成熟植物细胞发生质壁分离是因为存在浓度差、原生质层的选择透过性而细胞壁无选择透过性，C错误；PCR呈指数扩增是因为DNA的半保留复制，所以上一轮的产物可作为下一轮的模板，D正确。

【答案】C

2.材料选择的科学性

实验材料是科学实验成功与否的关键要素，选择恰当的实验材料，避免实验材料的颜色和数量等对实验结果的影响，保证实验达到预期的结果，使实验获得成功。

【例2】下列关于植物细胞质壁分离实验的叙述，错误的是 （ ）

A.与白色花瓣相比，采用红色花瓣有利于实验现象的观察

B.用黑藻叶片进行实验时，叶绿体的存在会干扰实验现象的观察

C.用紫色洋葱鳞片叶外表皮不同部位观察到的质壁分离程度可能不同

D.紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡中有色素，有利于实验现象的观察

【解析】红色花瓣细胞的液泡呈红色，比白色花瓣更便于观察质壁分离现象，A正确；黑藻叶片的叶肉细胞中液泡呈无色，叶绿体的存在使原生质层呈绿色，有利于实验现象的观察，B错误；紫色洋葱鳞片叶外表皮不同部位细胞的细胞液浓度不一定都相同，用相同浓度的外界溶液进行质壁分离实验时观察到的质壁分离程度可能不同，C正确；紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡含有色素，呈紫色，有利于实验现象的观察，D正确。

【答案】B

3.实验方法的科学性

科学实验成功与否很大程度上取决于科学的实验方法，必须选择科学合理的实验方法，才能得出正确可靠的结果和科学的结论。

【例3】下列为减少实验误差而采取的措施，错误的是（ ）

选项 ________实验内容 _减少实验误差采取的措施A 对培养液中酵母菌数量进行_____计数 多次计数取平均值B 探索2，4-D促进插条生根_____的最适浓度 预实验确定浓度范围C 调查人群中红绿色盲发生率 调查足够大的群体，随机__________________________取样并统计______________D 比较有丝分裂细胞周期不同______时期的时间长短观察多个装片、多个视野的细胞并统计____________

【解析】对培养液中酵母菌数量进行计数时，多次计数取平均值，可减少误差，且次数越多越接近真实值，A正确；探索2，4-D促进插条生根的最适浓度时，预实验是采用梯度比较大的实验来找到最适浓度的大致范围，同时检验实验步骤设计的合理性等，减少盲目实验造成的人力，物力，财力的浪费，其开展的目的并不是为了减少实验误差，B错误；调查人群中某病的发生率，应调查足够大的群体，随机取样并统计，C正确；比较有丝分裂细胞周期不同时期的时间长短，应观察多个装片、多个视野的细胞并统计，且样本越大越准确，D正确。

【答案】B

4.实验过程的科学性

实验过程要注意实验步骤的关联性和实验操作的程序性，实验步骤的前后顺序一般不能颠倒，特别是关键环节，不同的操作顺序导致不同的结果并影响实验的严密性。

【例4】科研人员探究了不同温度（25℃和0.5℃）条件下密闭容器内蓝莓果实的CO2生成速率的变化，结果见图1和图2。

图1

图2

（1）由图可知，与25℃相比，0.5℃条件下果实的CO2生成速率较低，主要原因是_________；随着果实储存时间的增加，密闭容器内的__________浓度越来越高，抑制了果实的细胞呼吸。该实验还可以通过检测__________浓度的变化来计算呼吸速率。

（2）某同学拟验证上述实验结果，设计如下方案：

①称取两等份同一品种的蓝莓果实，分别装入甲、乙两个容积相同的瓶内，然后密封。

②将甲、乙瓶分别置于25℃和0.5℃条件下储存，每隔一段时间测定各瓶中的CO2浓度。

③记录实验数据并计算CO2生成速率。

为使实验结果更可靠，请给出两条建议，以完善上述实验方案（不考虑温度因素）。

a.___________________，b_________.__________。

【解析】（1）由图可知，与25℃相比，0.5℃条件下的CO2生成速率较低，主要原因是低温降低了细胞呼吸相关酶活性；随着果实储存时间的增加，密闭容器内的CO2浓度越来越高，抑制了果实的细胞呼吸，该实验还可通过检测O2浓度变化来计算呼吸速率。（2）据单一变量原则，选取的果实成熟度还应一致；据可重复性原则，每个温度条件下至少有3个平行重复实验。

【答案】（1）低温降低了细胞呼吸相关酶活性 CO2O2

（2）选取的果实成熟度还应一致 每个温度条件下至少有3个平行重复实验

5.现象观察的科学性

科学实验要有正确的观察方法，才能为结果的处理和分析提供可靠的依据。有些实验直接就有可见的现象，而有些实验现象不可见，需把不可见现象科学地转化为可见现象。

【例5】在“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验中，对紫色洋葱鳞片叶外表皮临时装片进行了三次观察（如图3所示）。下列有关叙述正确的是 （ ）

图3

A.第一次观察时容易看到紫色大液泡和较大的无色细胞质基质区域

B.第二次观察时可以发现细胞质壁分离首先发生在细胞的角隅处

C.吸水纸的主要作用是吸除滴管滴加的多余液体，以免污染镜头

D.为了节约实验时间，通常可以省略第一次显微观察步骤

【解析】第一次观察时因未滴入蔗糖溶液，细胞还未发生质壁分离，只能看到紫色大液泡，A错误；第二次观察时滴入少量蔗糖溶液，细胞开始发生质壁分离，可发现质壁分离首先发生在细胞的角隅处，B正确；吸水纸的主要作用是吸引蔗糖溶液从盖玻片的一侧流到另一侧，使全部细胞浸润在蔗糖溶液中，C错误；第一次显微观察是为了获得实验前的形态，以便于和实验中的现象变化作对比，因此不可省略，D错误。

【答案】B

6.结果处理的科学性

实验的现象应该首先记录，然后进行整理，以全面和便于分析的某种方式具体准确表现出来，最后再经过仔细分析，最大限度地提取其中的信息，以便分析得出正确的结论。

【例6】为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：

A组：先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%

B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%

C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75 ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%

D组（对照组）：光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%

回答下列问题：

（a）The house where I used to live has been knocked down.

（1）单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________（填“高于”“等于”或“低于”）D组植物合成有机物的量，依据是________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________，这些反应发生的部位是叶绿体的_______。

（2）A、B、C三组处理相比，随着________的增加，使光下产生的________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。

【解析】（1）在该实验中，作为对照组的D组，是全光照135s，而C组实验的处理是光照和黑暗交替进行，即其仅用了D组一半时间的光照，但合成有机物的量是94%（D组为100%），故单位光照时间内，C组植物合成有机物的量高于D组植物合成有机物的量。C组光照时间的缩短，说明在光合作用中，有些反应如暗反应，不需光照，而这个过程发生在叶绿体基质中。（2）光合作用过程有两个阶段：光反应和暗反应。光反应阶段必须在光下进行，其将水分解，产生ATP和还原型辅酶Ⅱ（[H]）用于暗反应。A、B、C三组处理相比，随着光照时间间隔的减少，光照频率的增加，使光下产生的ATP和[H]能及时被利用与再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。

【答案】（1）高于 C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94% 光照 基质

（2）光照和黑暗交替频率 ATP和[H]（或答ATP和还原型辅酶Ⅱ）

7.结论表达的科学性

对实验结果进行分析得到的结论，还需用准确的语言表达出来，因此需有深厚的语言功底，才能把实验结论表达准确完整。

【例7】现有两个纯合的某作物品种：抗病高杆（易倒伏）和感病矮杆（抗倒伏）品种。已知抗病对感病为显性，高杆对矮杆为显性，但对于控制这两对相对性状的基因所知甚少。回答下列问题：

（2）杂交育种前，为了确定F2代的种植规模，需要正确的预测杂交结果。若按照孟德尔遗传定律来预测杂交结果，需要满足3个条件：条件之一是抗病与感病这对相对性状受一对等位基因控制，且符合分离定律；其余两个条件是_______________。

（3）为了确定控制上述这两对性状的基因是否满足上述3个条件，可用测交实验来进行检验。请简要写出该测交实验的过程。

【解析】（1）杂交育种的目的是获得多种优良性状于一身的纯合新品种，从题意知，抗病与矮杆（抗倒伏）为优良性状。（2）孟德尔遗传定律研究的是真核生物细胞核基因的遗传特点，故控制相对性状的等位基因应位于细胞核。两对基因分别位于两对同源染色体上，才遵循基因的自由组合定律。（3）测交是指用杂合子和隐性纯合子杂交，而题干无杂合子，故应先杂交得到杂合子，然后再进行测交实验。

【答案】（1）抗病矮杆

（2）高杆与矮杆这对相对性状受一对等位基因控制，且符合分离定律；控制这两对相对性状基因位于非同源染色体上

（3）将纯合抗病高秆与感病矮秆植株杂交，产生F1，让F1与感病矮秆杂交。

实验设计以课本实验为依托，侧重考查学生对实验设计、分析和评价的能力，全面考查学生的实验知识和基本技能及解决问题和语言表达能力，学会运用科学性原则解决问题，提高学生的各种能力和素质。

（作者单位：河北省滦平县第一中学）